楊春剛，岳健，李建東，盛敏，李紅艷，劉勤

(西安電子科技大學(xué) ISN國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 信息科學(xué)研究所，陜西 西安 710071)

1 引言

高速發(fā)展的無線通信網(wǎng)絡(luò)提供了多樣信息服務(wù)。然而，新的高速寬帶業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)使得本來日益緊缺的頻譜資源更加緊張。因此，如何探索“頻譜空洞”以彌補(bǔ)當(dāng)前高速業(yè)務(wù)的頻譜虧缺和提高頻譜資源利用率是關(guān)鍵技術(shù)問題之一[1,2]。未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)必將是多種網(wǎng)絡(luò)共存協(xié)同工作，支持無縫移動(dòng)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，如何有效利用多種接入技術(shù)取長補(bǔ)短為用戶提供高的感受質(zhì)量也是研究重點(diǎn)。

認(rèn)知無線電可快速探測(cè)和擇機(jī)使用頻譜白空和灰空，因此，可提高頻譜利用率[3]。長期演進(jìn)計(jì)劃(LTE,long term evolution)的主要目標(biāo)是提高數(shù)據(jù)速率、增大系統(tǒng)容量和覆蓋范圍、降低系統(tǒng)時(shí)延和運(yùn)營成本。學(xué)術(shù)界和標(biāo)準(zhǔn)界已經(jīng)開始關(guān)注認(rèn)知技術(shù)在LTE系統(tǒng)中的應(yīng)用。LTE-A作為LTE的演進(jìn)版本，目的是滿足無線通信市場(chǎng)需求和更多應(yīng)用。增強(qiáng)的基站(eNB)可依據(jù)終端信息進(jìn)行分布式的自主決策，其中，eNB之間增加X2接口為信息交互提供高效通道。這些網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的變革有利于未來LTE/LTE-A系統(tǒng)中的終端和網(wǎng)絡(luò)智能化及分布式?jīng)Q策，為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知技術(shù)和功能提供了保障。為滿足網(wǎng)絡(luò)容量提升千倍的要求，探索新頻譜、提高頻譜效率和增加網(wǎng)絡(luò)密度3個(gè)維度構(gòu)成“立方體”[4]，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)容量提升千倍的3個(gè)維度

如圖1所示，物理層技術(shù)可有效改善頻譜效率，包含載波聚合、3D/Massive-MIMO和多點(diǎn)協(xié)作(CoMP)等新技術(shù)。先進(jìn)的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)和干擾環(huán)境分析等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)收發(fā)天線協(xié)作增益，然而，這些技術(shù)面臨著邊緣小區(qū)信號(hào)質(zhì)量較差等問題。同時(shí)，研究表明物理層技術(shù)已經(jīng)基本達(dá)到點(diǎn)到點(diǎn)容量極限。目前，微基站、微微基站、室內(nèi)覆蓋、中繼站和家庭基站等同制式無線接入網(wǎng)與 WiMAX、移動(dòng)2G/3G網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)等不同制式無線接入網(wǎng)共存于熱點(diǎn)、商場(chǎng)和城市密集區(qū)域。各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需要高效的管理平臺(tái)和功能模塊來解決日趨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)接入問題。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，需要結(jié)合成本和能源消耗探索新型的網(wǎng)絡(luò)概念，實(shí)現(xiàn)宏站和小站的互補(bǔ)互利。已經(jīng)達(dá)成共識(shí)是增加網(wǎng)絡(luò)密度，尤其是增加低成本低功率節(jié)點(diǎn)，即部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)是革命性地提升網(wǎng)絡(luò)容量的新技術(shù)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)間負(fù)載分布、頻譜資源分配、功率資源分配和系統(tǒng)間的干擾協(xié)調(diào)等十分關(guān)鍵。

認(rèn)知無線電是智能的、自主感知、自適應(yīng)和具備頻譜資源管理能力的無線電技術(shù)。它可以智能地觀察和學(xué)習(xí)周圍的無線環(huán)境及用戶行為，并通過調(diào)整自身的參數(shù)選擇最佳狀態(tài)以適應(yīng)周圍環(huán)境。它作為探索新頻譜可實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展，從時(shí)間和空間上充分利用空閑的頻譜資源，以解決頻譜短缺與浪費(fèi)之間的矛盾，即合法的授權(quán)用戶具有高的優(yōu)先權(quán)接入頻譜，而具有認(rèn)知功能的認(rèn)知用戶允許在對(duì)授權(quán)用戶不造成干擾的情況下機(jī)會(huì)地接入頻譜[4～6]。目前，已成立的IEEE 802.22無線局域網(wǎng)工作組就采用認(rèn)知無線電技術(shù)復(fù)用54～862 MHz頻段。IEEE SCC41也致力于認(rèn)知無線電技術(shù)的研究，它提出的動(dòng)態(tài)頻譜接入方法要求能夠避免或降低干擾、無線技術(shù)之間能夠協(xié)同工作，同時(shí)還包括了網(wǎng)絡(luò)管理和信息共享。它的關(guān)注點(diǎn)并不在于給物理層或媒體接入層添加某個(gè)具體的管理機(jī)制，而是更注重發(fā)展構(gòu)架型的概念，以及為不兼容的網(wǎng)絡(luò)提供協(xié)同管理方法[2]。IEEE SCC41正在研究3G/4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，WiFi和WiMAX幾種網(wǎng)絡(luò)間基于動(dòng)態(tài)頻譜接入策略的網(wǎng)絡(luò)管理方法。IEEE SCC41今后將能夠?yàn)榉羌惺降亩喾N無線網(wǎng)絡(luò)提供橫向和縱向的網(wǎng)絡(luò)重配置管理方法，從而實(shí)現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)之間的互操作。

目前，已經(jīng)有大量關(guān)于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)和HetNet的研究，其中，文獻(xiàn)[8]描述在有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)因、架構(gòu)、功能和設(shè)計(jì)等。強(qiáng)調(diào)了認(rèn)知對(duì)于歷史決策和環(huán)境信息的學(xué)習(xí)對(duì)未來的行為影響。文獻(xiàn)[9]探討了認(rèn)知在智能電網(wǎng)、公共安全、寬帶蜂窩網(wǎng)和醫(yī)療等方面的應(yīng)用，指出相應(yīng)的挑戰(zhàn)和解決方案，同時(shí)介紹了標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展。文獻(xiàn)[10]基于協(xié)作分集和多用戶分集的概念提出幾個(gè)頑健協(xié)作頻譜感知技術(shù)。文獻(xiàn)[11]介紹了HetNet分層結(jié)構(gòu)中不同的設(shè)計(jì)技術(shù)和相應(yīng)分析性能的分析工具。文獻(xiàn)[12]總結(jié)了當(dāng)前HetNet異構(gòu)網(wǎng)的發(fā)展和空口等，明確了空口、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和頻譜分配，并對(duì)干擾管理作為重要的部分詳細(xì)介紹。文獻(xiàn)[13]關(guān)注自配置和自優(yōu)化的HetNet異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，討論了自動(dòng)物理小區(qū)標(biāo)識(shí)分配和無線資源配置。

進(jìn)一步深化合作思想和認(rèn)知技術(shù)到 LTE/LTE-A系統(tǒng)，例如，利用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中特有的分層結(jié)構(gòu)[14]，采用認(rèn)知的思想提出基于宏站和小站之間合作的節(jié)能方法[15]。面向LTE/LTE-A的千倍速率提升的要求，本文基于合作的思想采用認(rèn)知技術(shù)的觀點(diǎn)探討異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合。認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是基于認(rèn)知技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)或者同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)高效融合的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：通過認(rèn)知實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)頻段和異構(gòu)環(huán)境的多維感知，在資源調(diào)度和干擾規(guī)劃方面具有更多可以調(diào)整的空間。本文是在總結(jié)當(dāng)前認(rèn)知技術(shù)在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)、家庭基站網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，并針對(duì)最新的關(guān)于多模家庭基站、認(rèn)知WiFi 2.0網(wǎng)絡(luò)以及WiFi有效卸載宏蜂窩業(yè)務(wù)等研究成果的基礎(chǔ)上，提出認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的概念。明確認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過充分探索認(rèn)知技術(shù)和協(xié)作技術(shù)等實(shí)現(xiàn)認(rèn)知異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。重點(diǎn)考察了認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)中的多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)頻段和異構(gòu)環(huán)境中的資源管理和干擾問題。

2 認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)背景和定義

本節(jié)針對(duì)工作在授權(quán)頻段的宏站與多小站共存的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和工作在非授權(quán)頻段的無線局域網(wǎng)，分別總結(jié)了認(rèn)知家庭基站和認(rèn)知 WiFi等關(guān)鍵技術(shù)，并明確提出認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的概念、結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)。認(rèn)知技術(shù)不僅為未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供更多的頻譜資源，同時(shí)為多種制式的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步融合提供可行思路。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)方面，面向進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量和邊緣覆蓋的要求，學(xué)術(shù)界出現(xiàn)了大量認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的研究。

2.1 認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)

認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)化日益引起關(guān)注，涌現(xiàn)了認(rèn)知無線系統(tǒng)、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)等概念、框架和模型。面向LTE/LTE-A的千倍速率提升的要求和未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，各種小站包含微蜂窩、微微蜂窩、射頻前端和家庭基站等必將大量部署。因此，認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)是具備認(rèn)知能力的宏站或/和多種小站共存共用相同的頻譜的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中資源管理、擇機(jī)合作和業(yè)務(wù)卸載等方面的研究較廣泛，例如，文獻(xiàn)[16]研究了具備認(rèn)知能力的宏站和多個(gè)具備認(rèn)知能力的家庭基站的物理資源塊分配問題，家庭基站具備認(rèn)知能力可實(shí)現(xiàn)最小化對(duì)于宏基站干擾的情況下，實(shí)現(xiàn)頻譜效率最大化。采用非合作博弈建模多個(gè)認(rèn)知家庭基站之間的物理資源塊的分配問題，并提出分布式的方法求解相關(guān)均衡策略。文獻(xiàn)[17]關(guān)注認(rèn)知LTE網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)認(rèn)知家庭基站小區(qū)的下行子信道分配問題，建模上述問題為聯(lián)盟博弈，提出基于分布式的博弈資源管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)用戶自主決定參與哪個(gè)子信道聯(lián)盟，實(shí)現(xiàn)干擾避免提升速率。文獻(xiàn)[18]探討了家庭基站用戶和宏基站用戶之間2種機(jī)會(huì)協(xié)作的方式，包含協(xié)作認(rèn)知中繼模型和干擾模型，被證明二者都可以幫助宏基站用戶提高成功傳輸概率，同時(shí)也增加家庭基站用戶的傳輸機(jī)會(huì)。文獻(xiàn)[19]列舉了部署小站的技術(shù)挑戰(zhàn)，包含用戶卸載和動(dòng)態(tài)信道接入等，進(jìn)而描述隨機(jī)幾何等新分析方法，并研究了小站的拓?fù)涞葐栴}。文獻(xiàn)[20]進(jìn)一步基于隨機(jī)幾何考慮兩層網(wǎng)絡(luò)中多信道場(chǎng)景下的下行性能建模和分析。

面向家庭和公共場(chǎng)所等用戶密集區(qū)，LTE/LTE-A提出了采用用戶自主安裝家庭基站保證室內(nèi)良好覆蓋。然而，由于家庭基站是用戶自主隨機(jī)部署，安裝位置等不像宏站等是經(jīng)過規(guī)劃的，同時(shí)，家庭基站將復(fù)用宏站的頻譜，因此，家庭基站將與附近的家庭基站和宏站都將產(chǎn)生嚴(yán)重的層間和層內(nèi)的干擾問題。借助認(rèn)知的思想，學(xué)術(shù)界提出了認(rèn)知家庭基站的概念，家庭基站依據(jù)當(dāng)前無線環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)合適的載頻選擇和功率控制等技術(shù)有效抑制干擾。進(jìn)一步，多模家庭基站也為下一代寬帶無線系統(tǒng)的多層擇機(jī)接入提供了更多可能的機(jī)會(huì)。

2.2 認(rèn)知家庭基站

在2010年10月3GPP發(fā)布Release 10對(duì)于家庭基站的描述是自優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)運(yùn)營商最小交互情況下的服務(wù)質(zhì)量保證。文獻(xiàn)指出具備認(rèn)知能力的家庭基站將有助于實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡、干擾管理和信道隨機(jī)接入、覆蓋和切換等優(yōu)化。例如，文獻(xiàn)[21]指出在可以預(yù)見的未來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的多媒體應(yīng)用的普及，例如，YouTube、分布式網(wǎng)上游戲和在線視頻等，頻譜資源需求會(huì)越來越大。認(rèn)為認(rèn)知家庭基站是解決室內(nèi)環(huán)境下的多種頻譜消耗型的多種應(yīng)用的頻譜緊缺問題和本地融合問題的關(guān)鍵途徑。文獻(xiàn)[22]提出了基于家庭基站的認(rèn)知架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多層擇機(jī)接入，該架構(gòu)包含傳統(tǒng)的家庭基站和具有基礎(chǔ)設(shè)施的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[23]從經(jīng)濟(jì)學(xué)模型的角度出發(fā)探討了家庭基站3種不同的接入方式，包含閉式接入、開放接入和混合接入等，指出混合接入的方式由于允許距離家庭基站較近的宏基站用戶接入，因此具備靈活性、可實(shí)現(xiàn)高頻譜效率。文獻(xiàn)[24]認(rèn)為未來的家庭基站將是支持多種制式的多模家庭基站。因此，未來認(rèn)知家庭基站是基于認(rèn)知技術(shù)而允許混合接入的多模家庭基站。

2.3 認(rèn)知WiFi 2.0網(wǎng)絡(luò)

除了上述介紹的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知家庭基站和認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)知雷達(dá)[25]和認(rèn)知綠色網(wǎng)絡(luò)[26]，也逐漸興起且成為研究熱點(diǎn)，例如，IEEE 802.2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)運(yùn)行在廣播電視頻段的無線廣域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)范，使其在保證電視用戶性能的前提下，利用認(rèn)知無線電技術(shù)擇機(jī)利用廣播電視空白。進(jìn)一步，認(rèn)知的思想和理念也在無線局域網(wǎng)中得以延伸。認(rèn)知WiFi 2.0網(wǎng)絡(luò)是基于認(rèn)知無線電技術(shù)，工作于授權(quán)頻段的類似于傳統(tǒng) WiFi系統(tǒng)的無線局域網(wǎng)。它利用授權(quán)頻段的良好傳播特性，為用戶提供更好的服務(wù)以及更大的覆蓋范圍。作為認(rèn)知無線電技術(shù)與WiFi技術(shù)的結(jié)晶，認(rèn)知WiFi 2.0網(wǎng)絡(luò)具有廣泛研究及應(yīng)用前景，得到學(xué)術(shù)界[27,28]和標(biāo)準(zhǔn)界[29]的共同關(guān)注。文獻(xiàn)[30]針對(duì)認(rèn)知WiFi 2.0網(wǎng)絡(luò)典型的布設(shè)場(chǎng)景，總結(jié)其特有的信道捆綁等關(guān)鍵技術(shù)。提出雙層動(dòng)態(tài)頻譜接入模型，總結(jié)其多樣的動(dòng)態(tài)資源共享策略。面向頻譜資源的高效利用和經(jīng)濟(jì)收益，重點(diǎn)關(guān)注多種博弈模型，刻畫動(dòng)態(tài)頻譜接入和智能策略選擇等行為。最后，提出聯(lián)合頻譜的技術(shù)特性和經(jīng)濟(jì)收益特性的頻譜共享策略，并展望該領(lǐng)域的未來研究問題。在總結(jié)上述認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知家庭基站網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知 WiFi網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，本文提出認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的概念。

2.4 認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)

基于認(rèn)知的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)絡(luò)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)。認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)將基于認(rèn)知技術(shù)充分挖掘異構(gòu)頻譜資源為多模家庭基站或者認(rèn)知接入節(jié)點(diǎn)使用，能發(fā)揮其授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段的效益。同時(shí)，認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)也面臨前所未有的復(fù)雜的干擾問題。針對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的授權(quán)頻段和無線局域網(wǎng)的非授權(quán)頻段。實(shí)際上，文獻(xiàn)[31]已經(jīng)提出了面向能效的站址部署方式實(shí)現(xiàn)小站部署在宏站的邊緣區(qū)域，稱為邊緣(COE,cell-on-edge)部署。這種 COE部署可以實(shí)現(xiàn)譜效和能效最佳折中。文獻(xiàn)[32]關(guān)注本域(local area)和廣域(wide area)之間的融合，是本域采用高頻或更廣闊的其他頻率的小站和傳統(tǒng)采用低頻的宏站之間的協(xié)作問題。NTT DOCOMO提出了“Phantom Cell”的概念[32]，即幻影小區(qū)。本質(zhì)上它是宏站輔助的控制面和用戶數(shù)據(jù)面分離小蜂窩，幻影小區(qū)的控制面采用宏站的低頻段而用戶數(shù)據(jù)面采用高頻，而宏站用戶的數(shù)據(jù)面和控制面與傳統(tǒng)的宏蜂窩一致均采用宏站本身的授權(quán)頻譜。它實(shí)現(xiàn)充分利用高低頻目的的同時(shí)，又保證一定移動(dòng)性。認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)將在上述本域和廣域協(xié)作，以及大小站協(xié)作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步基于合作的思想采用認(rèn)知技術(shù)的觀點(diǎn)探討異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合可能性。認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是基于認(rèn)知技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)或者同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)高效融合的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：通過認(rèn)知實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)頻段和異構(gòu)環(huán)境的多維感知，在資源調(diào)度和干擾規(guī)劃方面具有更多可以調(diào)整的空間。典型的認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景包含宏基站(macro)、家庭基站(femto)和無線局域網(wǎng)(WiFi)接入節(jié)點(diǎn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，其中，家庭基站和局域網(wǎng)接入節(jié)點(diǎn)均具備認(rèn)知能力，因此定義這種基于認(rèn)知技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景為認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。未來無線局域網(wǎng)絡(luò)和家庭基站網(wǎng)絡(luò)將具備感知能力，可獲得頻譜空洞信息。家庭基站是低功率的小型基站，為室內(nèi)環(huán)境的用戶提供無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。它類似WiFi路由器，用戶可放置在室內(nèi)，向用戶提供蜂窩基站的幾乎所有功能。與WiFi相比，家庭基站有很多優(yōu)勢(shì)。家庭基站的工作頻譜是被授權(quán)的頻譜，它既可以與宏蜂窩基站共享也可以專門劃分一個(gè)頻譜，相當(dāng)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的延伸；另一方面，家庭基站采用與宏基站相同的無線技術(shù)，對(duì)于終端來說，不需要增加模塊和無線技術(shù)切換的開銷；此外，家庭基站與WiFi相比在功率控制、安全等方面也存在一定的優(yōu)勢(shì)[33～35]。然而，與家庭基站相比，WiFi能提供更豐富多彩的高帶寬業(yè)務(wù)，這是目前家庭基站所無法匹及的。因此，認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于認(rèn)知感知能力和協(xié)作保證實(shí)現(xiàn)各種無線網(wǎng)絡(luò)共存、相互補(bǔ)充、協(xié)同工作、支持終端無縫移動(dòng)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，必將有效地利用各種無線網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)和各自的優(yōu)勢(shì)以取長補(bǔ)短、融合地為用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)體驗(yàn)。

2.5 認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

由功率/覆蓋不同、大小不一和回程傳播特性等不同的各種本地節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)異軍突起，同時(shí)，快速探測(cè)和高效利用電視頻譜空白的認(rèn)知無線局域網(wǎng)迅猛發(fā)展。認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)WiFi和LTE蜂窩兩大陣營的有效融合，是兼顧未來室內(nèi)高數(shù)據(jù)速率需求和室外高移動(dòng)性要求，而實(shí)現(xiàn)高性價(jià)的提升網(wǎng)絡(luò)容量必然趨勢(shì)之一[36]。認(rèn)知技術(shù)為這種未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供更多的頻譜空洞資源和提高頻譜利用效率。具備認(rèn)知能力的移動(dòng)終端采用分布式RRM可以有效降低信令開銷和處理負(fù)擔(dān)。例如，文獻(xiàn)[37]在IEEE 1900.4的框架下提出半集中式的資源管理方案。具體抗干擾和提高用戶感受質(zhì)量等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如圖3所示。

情景 1：次服務(wù)提供商(SSP,secondary service provider)盲目復(fù)用主服務(wù)提供商(PSP,primary service provider)的頻譜資源，將導(dǎo)致其各自服務(wù)用戶之間的干擾問題。例如，情景1中隸屬于PSP的用戶1受到來自SSP的干擾。隸屬于SSP1的用戶3也將受到PSP的干擾。同時(shí)，在情景2中，如果隸屬于PSP的用戶2距離PSP距離較遠(yuǎn)，但是距離某個(gè)SSP距離較近，此時(shí)用戶2將受到嚴(yán)重干擾。

本文提出的認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)框架下，解決方案是距離PSP較遠(yuǎn)的用戶，例如，在情景3中的用戶可以接入到SSP2，即SSP是混合接入的工作模式。同時(shí)，PSP將采用適當(dāng)降低功率的技術(shù)實(shí)現(xiàn)干擾補(bǔ)償。這樣帶來的好處是首先距離PSP較遠(yuǎn)的用戶或者小區(qū)邊緣用戶，以及處于陰影嚴(yán)重區(qū)域的用戶，可以獲得較好的SINR保障；同時(shí)，PSP的干擾補(bǔ)償將進(jìn)一步減少對(duì)于SSP用戶造成的干擾。同時(shí)，SSP向PSP請(qǐng)求頻譜租賃可以避免互擾關(guān)系，同時(shí)SSP也給PSP帶來頻譜的經(jīng)濟(jì)收益。同時(shí)，PSP和SSP之間也可以形成關(guān)于資源共用的協(xié)議，例如可以采用頻譜租賃的方式，即PSP依據(jù)當(dāng)前承載的業(yè)務(wù)情況擇機(jī)地租賃頻譜給當(dāng)前承載業(yè)務(wù)較重的SSP。SSP及其服務(wù)的次級(jí)用戶也可以作為中繼協(xié)助PSP的用戶實(shí)現(xiàn)節(jié)能抗干擾的目的，且上述方案均可以實(shí)現(xiàn)PSP用戶和SSP用戶的雙贏?？偨Y(jié)認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包含：1)開發(fā)頻譜，提升頻譜利用效率和環(huán)境感知適變性；2)感知信息，智能資源協(xié)調(diào)抑制干擾和智能決策靈活性；3)主次協(xié)作，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活性、擴(kuò)展性和豐富資源可重構(gòu)性。如下將針對(duì)干擾問題和資源管理等關(guān)鍵技術(shù)，首先闡述認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)中干擾產(chǎn)生的原因，并提出認(rèn)知資源管理和干擾管理環(huán)路框架。

3 認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

隨著對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的更高追求和業(yè)務(wù)多樣化的現(xiàn)狀，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)模式越來越復(fù)雜，無線頻譜資源越來越寶貴。如何有效地融合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的資源，進(jìn)而提高無線資源利用效率面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，無線環(huán)境的認(rèn)知、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合已經(jīng)成為了業(yè)界研究的重點(diǎn)，它能夠在保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與傳輸質(zhì)量的同時(shí)，降低未來網(wǎng)絡(luò)的硬件成本、部署成本、維護(hù)成本[38,39]。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同類型節(jié)點(diǎn)間干擾主要有以下4點(diǎn)原因。

圖3 認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1)無規(guī)劃部署。低功率節(jié)點(diǎn)(例如家庭基站)由用戶自行隨機(jī)部署，用戶可在任何時(shí)間移動(dòng)或開關(guān)。由于運(yùn)營商不能控制這類小站的數(shù)量和部署位置，因此傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化并不能有效解決干擾問題。所以，需要新的分布式干擾避免方案，利用本地信息，有效解決全網(wǎng)干擾問題。

2)閉式用戶組接人。有些小區(qū)可能工作在封閉用戶組接入模式。在此模式下，小區(qū)的用戶接入是受限的，沒有權(quán)限的用戶不允許接入最近的基站，因此會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的層間干擾。例如，家庭基站如果采用此模式接入，即使宏基站用戶距離家庭基站很近，其仍然無法接入到家庭基站，反而由于可能與家庭基站用戶使用相同的資源而受到家庭基站下行的嚴(yán)重干擾。

3)不同節(jié)點(diǎn)的功率差異。微微蜂窩和中繼節(jié)點(diǎn)通常工作在開放接入模式，即相同運(yùn)營商的所有用戶可以接入到這些基站。開放接入使得用戶接入到信號(hào)最強(qiáng)的蜂窩并最小化下行干擾，從而避免了封閉用戶組接入方式帶來的干擾問題。然而，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中如果采用最強(qiáng)下行接收信號(hào)強(qiáng)度作為基站選擇的原則，大部分用戶趨于接入宏蜂窩基站而不是距離最近、路徑損耗最小的基站，這是因?yàn)楹昊竞偷凸β使?jié)點(diǎn)發(fā)射功率之間的較大差異。在這種情況下，業(yè)務(wù)負(fù)載會(huì)不均勻分布，造成宏蜂窩基站過載。而且，如果采用這種選擇接入方式，接入宏基站的用戶會(huì)嚴(yán)重干擾所在區(qū)域內(nèi)低功率節(jié)點(diǎn)的上行鏈路。因此除了考慮應(yīng)用負(fù)載均衡和上行干擾抑制，接入方式的選擇也是至關(guān)重要的。

4)覆蓋范圍擴(kuò)展用戶。為了解決由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間功率差異帶來的問題，新的服務(wù)小區(qū)選擇方法允許用戶接入到下行導(dǎo)頻信號(hào)質(zhì)量較弱的基站。當(dāng)前研究的方案為覆蓋范圍擴(kuò)展，即將微微蜂窩的參考信號(hào)強(qiáng)度加上某個(gè)偏移值來增加其下行覆蓋范圍。由此可以使靠近于微微蜂窩的宏蜂窩邊緣用戶選擇接入到微微蜂窩，提升宏蜂窩邊緣用戶性能，并顯著抑制上行鏈路的層間干擾。

針對(duì)認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的特殊場(chǎng)景可能的干擾問題，提出認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)干擾管理系統(tǒng)，包括頻譜資源管理器、干擾信息管理器和認(rèn)知干擾管理器等，其中，認(rèn)知干擾管理器包含層間認(rèn)知干擾管理器和層內(nèi)認(rèn)知干擾管理器，如圖4所示。

圖4 認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)干擾管理系統(tǒng)

層間認(rèn)知干擾管理器：用于完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同層間的干擾管理和干擾信息維護(hù)，為頻譜資源管理模塊提供相應(yīng)的決策信息支撐。層內(nèi)認(rèn)知干擾管理器：用于完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中同層內(nèi)的干擾管理和干擾信息維護(hù)，為頻譜資源管理模塊提供相應(yīng)的決策信息支撐。干擾信息管理器：根據(jù)收集的來自各個(gè)層內(nèi)和/或?qū)娱g干擾信息，周期性地更新歷史干擾信息數(shù)據(jù)庫，為頻譜資源管理器的正確高效的頻譜決策提供所需的信息。頻譜資源管理器：依據(jù)干擾信息管理器周期性或者實(shí)時(shí)的干擾信息，完成頻譜資源的重新配置。層間認(rèn)知干擾管理器與層內(nèi)認(rèn)知干擾管理器具有相同的構(gòu)成模塊，包含干擾信息感知模塊、干擾信息交互模塊、干擾信息管理模塊。認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)干擾管理系統(tǒng)中關(guān)鍵的2個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)是認(rèn)知資源管理和認(rèn)知干擾管理。

3.1 認(rèn)知資源管理

隨著信息服務(wù)高帶寬化，內(nèi)容形式多元化，提供方式智能化的需求不斷增長，無線網(wǎng)絡(luò)正朝著更高傳輸速率、更廣覆蓋范圍、融合多種異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)，并與多種周邊網(wǎng)絡(luò)高效協(xié)同的方向發(fā)展，但仍然面臨著諸如網(wǎng)絡(luò)資源尤其是頻譜資源高效利用，網(wǎng)絡(luò)高能效數(shù)據(jù)傳輸以及網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知性和適變性等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)HetNet中宏站與家庭基站等小站之間的資源分配是宏站和家庭基站等采用不同的正交資源，這種傳統(tǒng)的固定分配的模式為專用模式。這種方式的頻譜利用效率十分低，且對(duì)于越來越多的家庭基站的部署，不是可行的思路。而共道模式下的層間和層內(nèi)的干擾問題異常嚴(yán)重。在這種情況下，在不影響宏站的情況下，筆者希望家庭基站能夠具備自主資源決策的能力，從而避免采用與宏站或者其周圍家庭基站采用相同的資源，從而避免干擾，且提升頻譜的利用效率。因此，認(rèn)知資源管理要求：1)自主資源決策實(shí)現(xiàn)層間和層內(nèi)干擾的有效抑制；2)宏站用戶和家庭基站用戶的高效資源保障，從而實(shí)現(xiàn) QoS要求；3)有效資源的快速探測(cè)和高效利用。

目前關(guān)于認(rèn)知資源管理的研究有很多，例如，文獻(xiàn)[40]針對(duì)密集部署家庭基站場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)采用分配時(shí)域和空域正交資源實(shí)現(xiàn)層間和層內(nèi)的干擾不可行的現(xiàn)狀，以及當(dāng)前集中式的資源管理不利于實(shí)現(xiàn)層間的擴(kuò)展性等問題，提出采用基于認(rèn)知無線電技術(shù)的認(rèn)知資源管理實(shí)現(xiàn)家庭基站的高效動(dòng)態(tài)使用資源，避免層間干擾。文獻(xiàn)[41]探討 3G的 LTE系統(tǒng)中增強(qiáng)型的具備認(rèn)知能力的無線資源管理?；谡J(rèn)知技術(shù)可以充分挖掘OFDMA多址接入技術(shù)，網(wǎng)元可以實(shí)現(xiàn)依據(jù)環(huán)境狀態(tài)調(diào)整 RRM 實(shí)現(xiàn)子載波、功率和自適應(yīng)的調(diào)制選擇。同時(shí)，認(rèn)知技術(shù)也可以搜集系統(tǒng)的歷史信息，包含以往與環(huán)境的交互信息等。因此，如果CRRM能夠?qū)W習(xí)和推理足夠多的歷史交互信息，那么具備認(rèn)知能力的RRM可以實(shí)現(xiàn)依據(jù)歷史事件自主智能選擇策略的目的。新型的認(rèn)知資源管理系統(tǒng)用于改善頻譜效率，文獻(xiàn)[42]考慮了異構(gòu)的主要用戶的多種特征可以用于改善認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性。頻譜感知性和捷變性擴(kuò)展到無線資源管理中，有效開發(fā)頻譜資源的接入機(jī)會(huì)，主要是探索當(dāng)前授權(quán)頻譜的空白，以獲得靈活的頻譜利用和提高頻譜利用率。此外，面對(duì)復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)需求和瞬息萬變的外部環(huán)境，迫切需要突破原有無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思想，為網(wǎng)絡(luò)引入認(rèn)知能力和學(xué)習(xí)能力，并通過與外界環(huán)境信息交互，設(shè)計(jì)出具有環(huán)境感知功能的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的感知推理機(jī)制，從而解決靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)模式與動(dòng)態(tài)需求之間的矛盾。文獻(xiàn)[43]描述了基于LTE的通用鏈路層應(yīng)用程序的調(diào)用接口(ULLA)和認(rèn)知資源管理器模塊的演示器。通過ULLA，認(rèn)知資源管理器可以獲得eNB和用戶之間的PHY/MAC鏈路狀態(tài)信息，進(jìn)而改變系統(tǒng)參數(shù)獲得資源利用。從上述文獻(xiàn)可知，認(rèn)知資源管理過程如圖5所示。

圖5 認(rèn)知資源管理

如圖5所示，在認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于終端和認(rèn)知節(jié)點(diǎn)都具有多模多頻和寬帶認(rèn)知能力?？梢愿鶕?jù)外部環(huán)境、系統(tǒng)目標(biāo)、原則、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)等主動(dòng)或被動(dòng)地決定無線資源管理的行為，提高有效性。認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)可以定義為自管理功能模塊，根據(jù)運(yùn)營上下文（環(huán)境要求和特性）、目標(biāo)和策略（對(duì)應(yīng)于原則）、情景模式（能力）及機(jī)器學(xué)習(xí)（知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的表示與管理）動(dòng)態(tài)選擇網(wǎng)絡(luò)的配置。這種自管理功能模塊可以引入到終端、接入點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)端。

3.2 認(rèn)知干擾管理

雖然OFDMA等技術(shù)實(shí)現(xiàn)全頻率復(fù)用(universal frequency reuse)，未來大量小站的布設(shè)也會(huì)增加多點(diǎn)協(xié)作的空域機(jī)會(huì)，但是這種大量部署小站必然更加劇層間和層內(nèi)的干擾問題。為了解決小區(qū)間的同頻干擾問題，3GPP在LTE技術(shù)研究過程中分析了各種小區(qū)間的干擾抑制技術(shù)。目前有3種干擾抑制技術(shù)曾被廣泛地討論，包含小區(qū)間干擾隨機(jī)化算法、小區(qū)間干擾消除算法和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。另外，基站的波束成型也被認(rèn)為是一種下行的干擾抑制技術(shù)。各種小區(qū)間的干擾抑制技術(shù)的特點(diǎn)。干擾隨機(jī)化，不能真正地降低干擾功率，只是把干擾隨機(jī)化為“白噪聲”，從而使得終端依賴處理增益抑制干擾，主要方法包括加擾和跳頻等。小區(qū)間干擾消除，通過多天線對(duì)空間有效干擾進(jìn)行抑制，或者利用交織多址實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)消。小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)，限制小區(qū)邊緣區(qū)域可用的時(shí)頻資源，做出合理的資源管理，以協(xié)調(diào)多個(gè)小區(qū)的動(dòng)作，避免產(chǎn)生嚴(yán)重的小區(qū)間干擾。波束成型天線技術(shù)，通過空間隔離的干擾抑制方法。因此，目前看小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)基本維持在時(shí)頻域和空域，也有大量的研究關(guān)注本域，即從干擾源入手兼顧距離干擾受害者的距離實(shí)現(xiàn)采用傳輸功率的控制方式等。面向在HetNet的宏站、射頻前端和低功率節(jié)點(diǎn)包含微蜂窩、家庭基站和中繼，文獻(xiàn)[44]介紹異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的概念和主要的技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其關(guān)注3GPP在增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(eICIC)方面的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)。

由于 ICIC的強(qiáng)大干擾抑制功能，這里簡單總結(jié)ICIC的功能、本質(zhì)、研究現(xiàn)狀和展望。ICIC的功能是通過合理管理無線資源，將小區(qū)間的干擾水平保持在可以控制的狀態(tài)下。其核心思想是采用頻率復(fù)用技術(shù)，使得相鄰小區(qū)之間的干擾信號(hào)源的距離盡可能遠(yuǎn)，從而抑制相鄰小區(qū)干擾，達(dá)到改善傳輸質(zhì)量、提高小區(qū)及其邊緣用戶吞吐量的目的。ICIC本質(zhì)上是合理管理多小區(qū)的物理資源塊(PRB)和發(fā)射功率資源來控制小區(qū)間干擾(ICI)，需要同時(shí)考慮來自多小區(qū)的資源使用狀態(tài)、業(yè)務(wù)負(fù)荷情況和服務(wù)用戶數(shù)目等。資源包含時(shí)域、頻域和功率資源等，在頻域上對(duì)頻率資源的使用作出限制和規(guī)劃，使得頻率復(fù)用系數(shù)大于1。

按照資源調(diào)度靈活程度和頻率規(guī)劃的調(diào)整周期，ICIC可分為靜態(tài)ICIC、半靜態(tài)ICIC和動(dòng)態(tài)ICIC。靜態(tài) ICIC是指在部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)已經(jīng)完成資源限制的協(xié)商，也即在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營前就已經(jīng)規(guī)劃好頻率，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營過程中不再進(jìn)行調(diào)整。比較典型的靜態(tài) ICIC方式是華為、愛立信等公司提出的軟頻率復(fù)用(SFR)方案和部分頻率復(fù)用(FFR)方案。動(dòng)態(tài)ICIC的方式指的是資源限制的協(xié)商在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營時(shí)期根據(jù)業(yè)務(wù)分布、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷等各種情況頻繁動(dòng)態(tài)調(diào)整，調(diào)整的時(shí)間尺度為幾個(gè)或者幾十個(gè) TTI，遠(yuǎn)小于一個(gè)業(yè)務(wù)會(huì)話的持續(xù)時(shí)間，使得資源得到更大效率的使用。比較典型的動(dòng)態(tài)ICIC方式是Nortel、Lucent公司的方案。靜態(tài)的 ICIC方式由于調(diào)整周期緩慢，所以不夠靈活。動(dòng)態(tài) ICIC在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且信息交互大，當(dāng)前不能實(shí)際應(yīng)用。半靜態(tài) ICIC方案由于可以適當(dāng)增加靜態(tài)方案的靈活性，并減少動(dòng)態(tài)方案的信令開銷，因此，最適用且最有效。但是未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，動(dòng)態(tài) ICIC才是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

面向認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)，這些 ICIC技術(shù)也必將發(fā)揮重要的干擾管理功能，因?yàn)樾^(qū)間的干擾協(xié)調(diào)中的小區(qū)，如果在認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)中就是多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。對(duì)認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)的干擾管理技術(shù)具有重要啟示作用。干擾處理技術(shù)也面臨著一些實(shí)際系統(tǒng)的約束，包含家庭基站和宏站之間的協(xié)調(diào)、回程技術(shù)、家庭基站的閉式工作方式和隨機(jī)部署等問題。例如，認(rèn)知技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息獲取，彌補(bǔ)家庭基站和宏站之間因沒有回程無法實(shí)現(xiàn)有效交互協(xié)調(diào)的干擾避免，因此，近年來廣泛引入到HetNet場(chǎng)景中的干擾抑制研究過程中。在UMTS的LTE網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)認(rèn)知基站具有更多的收益，考慮2類認(rèn)知基站包含認(rèn)知宏基站和家庭基站。首先分析傳統(tǒng)的干擾管理方式在單小區(qū)或者多小區(qū)場(chǎng)景下存在的問題，繼而，采用認(rèn)知基站通過感知無線環(huán)境和學(xué)習(xí)歷史信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的資源管理。針對(duì)共道干擾問題提出基于2種博弈模型的分布式方法[45]。與以往文獻(xiàn)只是關(guān)注頻譜共享和干擾避免問題不同，文獻(xiàn)[46]從能效的角度出發(fā)為充分發(fā)揮認(rèn)知的能力提出無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，其中，宏站和家庭基站均具有認(rèn)知能力。每個(gè)認(rèn)知家庭基站可以通過感知無線環(huán)境識(shí)別干擾簽名(interference signature)，并擇機(jī)分配合適的信道模式實(shí)現(xiàn)干擾最小化?；谡J(rèn)知干擾識(shí)別和自適應(yīng)信道管理的新的頻譜管理方法[47]。文獻(xiàn)[48]指出由于家庭基站的隨機(jī)部署，宏站和家庭基站之間也沒有共存的協(xié)議，認(rèn)知技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這種共存信息的有效交互，考察時(shí)頻空域等多維的正交無線資源的分配，提出基于新的解碼技術(shù)的干擾消除技術(shù)。無論是層間和層內(nèi)的認(rèn)知干擾管理過程基本表述如圖6所示，二者的區(qū)別在于認(rèn)知節(jié)點(diǎn)對(duì)于干擾環(huán)境的認(rèn)識(shí)程度不同，獲取的干擾信息完美程度不同。

結(jié)合認(rèn)知的思想，提出如圖6所示的認(rèn)知干擾管理環(huán)路結(jié)構(gòu)。

圖6 認(rèn)知干擾管理環(huán)路結(jié)構(gòu)

具體的認(rèn)知干擾管理方法包含如下步驟。

1)干擾信息感知，具有認(rèn)知能力的家庭是認(rèn)知無線接入節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)于當(dāng)前所述網(wǎng)絡(luò)的干擾感知；認(rèn)知家庭基站需要感知周圍家庭基站的頻譜使用情況，同時(shí)，所有家庭基站需要獲取當(dāng)前宏基站的頻譜使用狀態(tài)；每個(gè)家庭基站盡可能實(shí)現(xiàn)與其周圍鄰家庭基站采用同頻，同時(shí)避免與宏基站采用相同頻譜。

2)干擾信息上報(bào)，為實(shí)現(xiàn)層間或者層內(nèi)更好地掌握部分或全局信息，每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前局部感知信息的上報(bào)給干擾信息管理器。

3)干擾信息管理實(shí)現(xiàn)信息匯聚，以及對(duì)于信息的推理和學(xué)習(xí)，形成具有一定特征的干擾信息，將指導(dǎo)頻譜管理模塊。

4)干擾信息協(xié)助頻譜管理，面向局部和全局信息的支撐實(shí)現(xiàn)頻譜資源的調(diào)度。局部實(shí)現(xiàn)多個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在不同信道上的分配。利用認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)中具有的異構(gòu)頻譜，包含LTE授權(quán)頻段和無線局域網(wǎng)的授權(quán)頻段。全局頻譜管理將實(shí)現(xiàn)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在授權(quán)頻段和開放頻段之間的靈活跳變。

干擾信息感知是關(guān)鍵和第一步，干擾信息感知內(nèi)容與提出認(rèn)知干擾管理環(huán)路思想的不同場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制參量相關(guān)。一般情況下干擾相關(guān)的信息應(yīng)該包含信道狀態(tài)信息、業(yè)務(wù)承載信息和資源剩余狀態(tài)信息等。感知蜂窩系統(tǒng)中的干擾信息一般有2種方法，包含基于模型方法和基于測(cè)量的方法。簡單說，基于模型方法是采用分析或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算，例如，信道衰落和干擾分布等理論模型。而基于測(cè)量的方法是通過收發(fā)共知的部分信息加以估算，例如，收端采用接收到的功率信息與已知的發(fā)端功率做比值，可以估算信息衰落信息。另外，在認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)中，依據(jù)特有的多網(wǎng)協(xié)作信息也是感知干擾等信息的重要途徑之一。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是必然所趨，面對(duì)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中用戶環(huán)境的多變性、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異構(gòu)性和業(yè)務(wù)環(huán)境的多樣性，真正實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合仍存在大量關(guān)鍵問題需要解決。本文通過總結(jié)當(dāng)前認(rèn)知技術(shù)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)等方面的應(yīng)用，認(rèn)為認(rèn)知技術(shù)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)融合的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文首先總結(jié)零散的認(rèn)知家庭基站和認(rèn)知無線接入節(jié)點(diǎn)等研究。進(jìn)而明確認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)等概念。同時(shí)，針對(duì)層間和層內(nèi)干擾問題和資源管理等關(guān)鍵技術(shù)，提出認(rèn)知資源管理和認(rèn)知干擾管理環(huán)路框架。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端節(jié)點(diǎn)的智能化程度越來越高的未來，然而，要具體實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的融合網(wǎng)絡(luò)，首先寬帶頻譜感知技術(shù)至關(guān)重要，它是資源靈活調(diào)度的前提。其次，高效靈活的頻譜管理、頻譜共享和共道干擾抑制技術(shù)。面向大量小站部署和大量高帶寬業(yè)務(wù)的用戶需求快速找到可用的頻譜資源，并為不同的通信節(jié)點(diǎn)分配正交的資源可以有效避免干擾。同時(shí)，在合作網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)[49]以及運(yùn)營商的頻譜經(jīng)濟(jì)收益[50,51]、頻譜使用政策等層面上都面臨挑戰(zhàn)[52]。

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